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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Parametern an
bewegbaren Teilen einer maschinellen Einrichtung bei einem Bewegungsablauf
mittels wenigstens einer Videokamera, sowie eine entsprechende Erfassungsvorrichtung.
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Aus
dem Artikel "Sensoren
für Roboter", P. Levi und L.
Vaijta, Robotersysteme 3, 1–15,
Springer-Verlag 1987, sind Fernsehkameras als elektrooptische Sensoren
für zwei-
und dreidimensionales Sehen bekannt. Diese Fernsehkameras tasten
die Objekte nach dem Rasterprinzip zeilenweise ab und liefern proportional
der Lichtintensität
ein Analogsignal. Die Auswertung derartiger Rasterbilder ist jedoch
im Hinblick auf die großen
Datenmengen sehr zeit- und speicherintensiv und damit langsam und
kostspielig. Es wird daher festgestellt, dass derartige Systeme
für den
Industrieeinsatz noch nicht geeignet sind. Der Vorteil einer solchen
Erfassung von Bewegungen mittels wenigstens einer Kamera besteht
prinzipiell darin, dass verschiedene Bewegungen erfasst werden können, ohne
dass eine Vielzahl von ansonsten erforderlichen Sensoren verdrahtet
werden müsste.
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Aus
der
DE 86 12 003 U1 ist
ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bekannt, das zur Überwachung
von Turbinenschaufeln auf unzulässige
Eisbildung dient. Ein Bildauswerter wertet zwar vorgebbare Bildausschnitte
für diesen
Zweck aus, jedoch dient dieses Verfahren nicht zur Überwachung eines
bewegbaren Teils entlang einer Bewegungsbahn bzw. zur Erfassung
von Bewegungen oder sonstiger Parameter bei verdeckten Teilen.
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Weiterhin
ist aus der
DE 41 15
846 A1 ein Verfahren zur berührungslosen räumlichen
Positionsmessung in Roboterarbeitsräumen bekannt. Hierzu müssen an
verschiedenen Stellen elektronische Bildaufnehmer installiert werden,
was einer aufwendigen und umständlichen
Installierung bedarf.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Erfassung von Parametern mittels einer Videokamera so zu verbessern, dass
bei wesentlich geringeren Datenmengen eine schnellere, weniger speicherintensive
Auswertung möglich
wird, wobei auch Bewegungen oder sonstige Parameter verdeckter Teile
erfassbar sein sollen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine entsprechende
Erfassungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
bestehen insbesondere darin, dass nicht mehr alle Daten des Videobilds
erfasst und ausgewertet werden, sondern nur noch für die jeweiligen
Parameter wesentliche Bildbereichsausschnitte und/oder Farbspektrumsbereiche.
Dadurch reduziert sich die zu erfassende und auszuwertende Datenmenge
erheblich, es sind kleinere Speicher ausreichend, und die Verarbeitungsgeschwindigkeit
wird erhöht.
Die Verarbeitungsgenauigkeit kann dabei ebenfalls verbessert werden.
Dabei ist keinerlei Installationsaufwand für die Sensorik erforderlich,
insbesondere keine Verkabelung bzw. Verdrahtung. Bei einer rein pneumatischen
maschinellen Einrichtung sind nur noch pneumatische und keine elektrischen
Zuleitungen mehr erforderlich. Alle benötigten Aktoren sind sofort
einsetzbar, da die Zuordnung der Sensoren für die Steuerung oder Regelung
nachträglich
beispielsweise an einem Rechner erfolgen kann. Ist einmal eine solche
Zuordnung erfolgt, so können
weitere entsprechende maschinelle Einrichtungen in einfacher Weise
mit den gleichen Sensoren bestückt
und eine Videokamera entsprechend positioniert werden, wobei die
Zuordnung der Sensorsignale durch die bereits erstellte Software
schnell und einfach realisiert werden kann.
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Um
auch Bewegungen oder sonstige Parameter erfassen zu können, die
oder deren Erfassungsort durch Teile der maschinellen Einrichtung verdeckt
sind, werden in vorteilhafter Weise Sensorsignale wenigstens eines
Sensors zur Erfassung eines Parameters in optische Signale einer
optischen Anzeigeeinrichtung umgesetzt, wobei die Videokamera diese
optischen Signale über
einen entsprechenden Bildbereichsausschnitt oder Farbspektrumsbereich
erfasst. Auf diese Weise können
beispielsweise Positionen verdeckter Teile, Temperaturen, Drücke und/oder
elektrische Signale als Parameter erfasst werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Verfahrens möglich.
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In
den Bildbereichsausschnitten werden zweckmäßigerweise optische Markierungen
erfasst, zum Beispiel Farbmarkierungen, Leuchtelemente, Displays
oder dergleichen.
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Eine
Bewegung lässt
sich in einfacher Weise dadurch sensieren, dass wenigstens ein bewegbares Teil
wenigstens eine optische Markierung besitzt, und dass mehrere Bildbereichs ausschnitte
entlang der Bewegungsbahn dahingehend überprüft werden, ob die optische
Markierung vorhanden ist. Auf diese Weise können Positionen mit sehr geringem
Rechneraufwand und sehr geringem Speicheraufwand schnell und einfach
erfasst werden.
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Die
Sensorsignale werden zweckmäßigerweise
von der Erfassungsstelle zur optischen Einrichtung mittels einer Übertragungseinrichtung übertragen.
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Zur
schnelleren und einfacheren Einbindung der Sensoren und Sensorsignale
werden die Bildbereichsausschnitte und/oder optischen Markierungen und/oder
die Zuordnung der Inhalte der Bildbereichsausschnitte zu Parametern
im Lernmodus erfasst. Die Bildbereichsausschnitte können auch
zweckmäßigerweise
durch entsprechende Markierung mit einer Maus am Bildschirm gebildet
werden.
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Zur
Erfassung von Parametern, bei denen die entsprechenden optischen
Markierungen verdeckt sind oder deren Erfassungsort verdeckt ist, dient
in vorteilhafter Weise eine Erfassungseinrichtung für Parameter
an bewegbaren Teilen einer maschinellen Einrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 7. Eine derartige Erfassungseinrichtung eignet sich
besonders in Verbindung mit dem vorstehend angegebenen Verfahren,
besitzt jedoch auch eigenständige
erfinderische Bedeutung.
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Das
Verbindungselement ist zweckmäßigerweise
als Verbindungsleitungen zwischen Sensor und optischer Anzeigeeinrichtung
enthaltendes Rohr ausgebildet, durch das die optische Anzeigeeinrichtung
in eine zur Erfassung durch die Videokamera günstige Position gebracht werden
kann.
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Die
optische Anzeigeeinrichtung besitzt wenigstens eine Leuchtdiode
oder ein Display zur Erfassung durch die Videokamera.
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Um
auch elektrische Leitungen zur Stromversorgung der optischen Anzeigeeinrichtung
zu vermeiden, ist wenigstens diese mit Solarzellen versehen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Erfassung des Bewegungsablaufs eines
pneumatisch betätigbaren
Greifers mittels einer Videokamera,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Erfassungsvorrichtung für
Parameter mit einer Leuchtdiode zur optischen Wiedergabe des Sensorsignals
und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer solchen Erfassungsvorrichtung mit einem LCD-Display zur optischen
Wiedergabe des Sensorsignals.
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1 zeigt
ein pneumatisches Handhabungsgerät 10,
bei dem auf einer Säule 11 ein
erster Linearantrieb 12 horizontal verfahrbar ist. Ein
zweiter Linearantrieb 13 ist am ersten Linearantrieb 12 vertikal
verfahrbar und trägt
an einem Ende einen Greifer 14. Das Handhabungsgerät 10 wird über einen
Steuerrechner 15 so gesteuert, daß der Greifer 14 sich entlang
einer durch gestrichelte Linien markierten Bewegungsbahn 16 bewegt.
Der Greifer 14 besitzt eine Farbmarkierung 17.
Eine ortsfest positionierte Videokamera 18 ist so eingestellt,
daß wenigstens der
Greifer 14 entlang seiner Bewegungsbahn 16 erfaßt wird.
Das Videobild wird dem Steuerrechner 15 zugeführt. Die
Programmierung zur Bewegungserfassung des Greifers 14 erfolgt
in der Weise, daß nur markante
oder für
die Bewegung wichtige Punkte der Bewegungsbahn 16 überprüft werden.
Dies sind im Ausführungsbeispiel
die vier Eckpunkte. Auf dem Bildschirm 19 des Steuerrechners 15 werden
beispielsweise mittels einer Maus diese vier Eckpunkte der Bewegungsbahn
als Bildbereichsausschnitte 20–23 markiert. Diese
Markierung bedeutet, daß lediglich
die Bilddaten dieser vier Bildbereichsausschnitte 20–23 betrachtet
und ausgewertet werden, die übrigen
Bildbereiche dagegen ausgeschnitten werden. Hierdurch wird die erfaßte Datenmenge
gegenüber
dem gesamten Videobild stark reduziert. Durch Überprüfung der Bildinformationen
der vier Bildbereichsausschnitte 20–23 wird jeweils geprüft, ob sich
die Farbmarkierung 17 innerhalb einer dieser Bildbereichsausschnitte 20–23 befindet.
Dies wird dann als Position des Greifers 14 erkannt und
der Bewegungssteuerung als Positions-Istwert mitgeteilt, so daß eine Bewegungssteuerung
und/oder -regelung möglich
ist.
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Die
Zahl der erfaßten
Bildbereichsausschnitte entlang einer Bewegungsbahn ist selbstverständlich beliebig.
Zusätzlich
können
durch dieselbe Videokamera 19 die Bewegungen weiterer Handhabungsgeräte 10 sensiert
werden. Auch die Bewegungen anderer bewegbarer Teile oder Bereiche
solcher Handhabungsgeräte 10 können bezüglich ihrer
Bewegungen sensiert werden. Dabei ist diese kontaktlose Bewegungserfassung
selbstverständlich
nicht auf Handhabungsgeräte 10 beschränkt, sondern kann
für alle
maschinellen Einrichtungen eingesetzt werden, bei denen Bewegungen
stattfinden und/oder sonstige Parameter oder Meßwerte erfaßt werden, wie später in Verbindung
mit den 2 und 3 noch näher erläutert wird.
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Falls
Bewegungsabläufe
oder Teile von Bewegungsabläufen
durch andere Bereiche solcher maschinellen Einrichtungen verdeckt
sind, können verdeckte
Bildbereichsausschnitte auch mittels Spiegeln oder sonstiger Lichtumlenkungseinrichtungen durch
die Videokamera 18 beobachtet werden.
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Es
ist auch möglich,
anstelle der Betrachtung von Bildbereichsausschnitten einer Bewegungsbahn bestimmte
Farbspektrumsbereiche des Videobilds zu beobachten und die übrigen Farbspektrumsbereiche auszublenden.
Falls beispielsweise die maschinelle Einrichtung keine roten Bereiche
oder Stellen besitzt, so können
zur Sensierung von Bewegungen rote Farbmarkierungen 17 verwendet
werden. Durch Ausblenden aller übrigen
Farben aus dem Videosignal wird dann nur noch der rote Farbspektrumsbereich erfaßt, also
ausschließlich
die für
die Bewegung wesentlichen Farbmarkierungen. Auch hierdurch wird die
Menge der zu verarbeitenden Bildinformationen deutlich reduziert.
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Selbstverständlich sind
auch Kombinationen dieser beiden Möglichkeiten realisierbar, das
heißt, es
werden nur bestimmte Bildbereichsausschnitte und darüber hinaus
innerhalb dieser nur bestimmte Farbspektrumsbereiche erfaßt bzw.
nur die entsprechenden Bildinformationen ausgewertet.
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Der
Programmablauf kann durch eine Matrix, die die Abhängigkeiten
der einzelnen Bewegungen bzw. die einzelnen Bewegungsschritte zueinander prüft, überwacht
werden. Am Bildschirm 19 kann jeder Bewegungsablauf als
Matrix dargestellt werden, also wenn an der maschinellen Einrichtung
oder an maschinellen Einrichtungen verschiedene Bewegungen ablaufen.
Diese Matrix zeigt die aktuellen Stellungen des Aktuators bzw. des
zu überwachenden, sich
bewegenden Teils als 0 oder 1 an, zum Beispiel die eingefahrene
oder ausgefahrene Stellung. Die Programmierung erfolgt dann beispielsweise
mit der Maus am Bildschirm. Der Aktuator bzw. dessen Farbmarkierung 17 wird
angeklickt, und dann wird der Bewegungsbefehl eingegeben, zum Beispiel
Einfahren oder Ausfahren eines Aktuators. Abhängigkeiten zu anderen Aktionen
oder Aktoren müssen
dann jeweils festgelegt und als Programmschritte gespeichert werden.
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Alternativ
hierzu kann auch im Lernmodus programmiert werden, das heißt, die
einzelnen Bewegungen werden nacheinander durchgeführt, und die
jeweiligen Positionen der Aktuatoren bzw. Farbmarkierungen werden
zugeordnet und jeweils automatisch abgespeichert. Insbesondere auch
bei verschiedenen und zeitlich nicht miteinander gekoppelten Bewegungen
müssen
die jeweiligen Situationen zeitlich nacheinander erfaßt und abgespeichert
werden. Die Abhängigkeiten
von Aktorengruppen können
am Bildschirm dargestellt werden.
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Beispielsweise
können
auch Schaltstellungen von Ventilen über eine optische Codierung
erfaßt werden.
Bei Bewegungen können
Zwischenpositionen erfaßt
werden, um eine Wegmessung zu ermöglichen. Dies kann rechnerisch
mittels des Steuerrechners 15 erfolgen. Auch der Materialfluß kann beobachtet
werden. Zum Beispiel kann die Entnahmestelle, an der ein Bauteil
bereitgestellt wird, optisch so gekennzeichnet werden, daß bei entnommenem Bauteil
eine Farbmarkierung sichtbar wird.
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Selbstverständlich können bei
Bedarf auch mehrere Videokameras eingesetzt und die Videosignale
gemeinsam gemäß den vorstehenden
Ausführungen
ausgewertet werden.
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Die
in den 2 und 3 dargestellten Erfassungsvorrichtungen
dienen zum einen zur Erfassung von Sensorsignalen an optisch schwer
oder nicht zugänglichen
Stellen und zum anderen zur Erfassung von anderen Parametern, wie
Temperatur, Druck, elektrische Signale und dergleichen.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Erfassungsvorrichtung 24 für Parameter
ist an einem Ende eines Übertragungsrohrs 25 ein Sensor 26 und
am anderen Ende eine optische Anzeigeeinrichtung 27 angeordnet.
Der Sensor 26 ist beispielsweise ein Endschalter, ein Temperatursensor,
ein Drucksensor, ein elektrischer Sensor oder ein optischer Sen sor,
der an der zu sensierenden Position der maschinellen Einrichtung
fixiert wird. Die Sensorsignale werden über nicht dargestellte elektrische Leitungen
oder Lichtleiter im Übertragungsrohr 25 zur
optischen Anzeigeeinrichtung 27 hin übertragen, wo sie in Steuersignale
für eine
Leuchtdiode 28 umgesetzt werden. Beispielsweise wird die
Leuchtdiode 28 bei Betätigung
des als Endschalter ausgebildeten Sensors 26 eingeschaltet.
Weiterhin kann die Über- oder
Unterschreitung einer bestimmten Temperatur oder eines bestimmten
Drucks die Leuchtdiode 28 einschalten. Durch die Videokamera 18 wird
ein kleiner, die Leuchtdiode 28 umfassender Bildbereichsausschnitt
des Videobilds eingehend überwacht,
ob die Leuchtdiode 28 eingeschaltet ist oder nicht. Dies kann – wie bereits
beschrieben – auch
durch Überwachung
lediglich eines Farbspektrumsbereichs erfolgen, dem die Leuchtfarbe
der Leuchtdiode 28 zugeordnet ist. Derartige Erfassungsvorrichtungen 24 können auch
in größerer Zahl
an der maschinellen Einrichtung angeordnet sein und gemeinsam durch die
Videokamera 18 überwacht
werden.
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In
Abwandlung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels
können
auch mehrere Leuchtdioden 28 an der optischen Anzeigeeinrichtung 27 angeordnet
sein, die separat durch die Videokamera überwacht werden. Hierdurch
lassen sich beispielsweise verschiedene Drücke oder verschiedene Temperaturen
darstellen und erfassen.
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Das
in 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel einer Erfassungsvorrichtung 29 unterscheidet
sich von der Erfassungsvorrichtung 24 lediglich dadurch,
daß anstelle
der optischen Anzeigeeinrichtung 27 eine optische Anzeigeeinrichtung 30 mit
einem LCD-Display 31 tritt. Dieses LCD-Display 31 kann entsprechend
der Leuchtdiode 28 ein- oder ausgeschaltet werden, so daß entweder
eine dunkle oder eine helle Fläche
erscheint. Auch hier können Zwischenwerte
gebildet und erfaßt
werden, indem das LCD-Display 31 entsprechend dem Wert
des erfaßten
Parameters sukzessive verdunkelt oder hellgeschaltet wird.
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Um
auch zur Stromversorgung der optischen Anzeigeeinrichtungen 27, 30 keine
Zuführungskabel zu
benötigen,
die eine zu vermeidende Verkabelung bedeuten würden, können die Anzeigeeinrichtungen 27, 30 bzw.
die Erfassungsvorrichtungen 24, 29 mit Solarzellen
versehen sein, so daß die
Stromversorgung über
das Umgebungslicht erfolgt.
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Anstelle
eines Übertragungsrohrs 25 kann auch
ein anderes elektrisches oder optisches Übertragungselement treten.
Dieses oder auch das Übertragungsrohr 25 können in
ihrer Form veränderbar ausgebildet
werden, damit unabhängig
von der Position des Sensors 26 alle Ausrichtung der optischen Anzeigeeinrichtung 27, 30 auf
die Videokamera erfolgen kann.
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Bei
der Herstellung gleichartiger maschineller Einrichtungen, die dieselben
Bewegungsabläufe beinhalten,
ist es lediglich erforderlich, eine entsprechende Videokamera 18 in
einer entsprechenden räumlichen
Zuordnung zu dieser maschinellen Einrichtung ortsfest zu fixieren.
Der einmal erfaßte
Ablauf, der in einem Programm niedergelegt wurde, kann dann unmittelbar verwendet
werden, ohne daß die
Sensoren oder die Bewegungsabläufe
in irgendeiner Form neu erfaßt
werden müßten.